【摘 要】
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钙钛矿材料因其优异的半导体特性,是制备太阳能电池的理想材料,被广泛用于太阳能电池的研发,已然成为下一代光伏器件中最有力的竞争者之一。在很短的时间内,基于钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)已由最初的3.8%飞跃至目前的25.5%,超过了多晶硅太阳能电池的最高PCE。然而,为了制备得到较高效率的器件,PSCs往往需要复杂的制备工艺、苛刻的工作环境和昂贵的材料,这在一定程度上妨碍了高效
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钙钛矿材料因其优异的半导体特性,是制备太阳能电池的理想材料,被广泛用于太阳能电池的研发,已然成为下一代光伏器件中最有力的竞争者之一。在很短的时间内,基于钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)已由最初的3.8%飞跃至目前的25.5%,超过了多晶硅太阳能电池的最高PCE。然而,为了制备得到较高效率的器件,PSCs往往需要复杂的制备工艺、苛刻的工作环境和昂贵的材料,这在一定程度上妨碍了高效PSCs的产业化和商业化。因此,寻求一种结构简单、制备条件温和且能够实现大面积制备的器件结构,成为目前亟需解决的难题。为了降低制备成本和优化器件结构,采用简单的丝网印刷技术,在空气中对整个器件进行制备,该工艺具备大面积生产的潜质,有望实现产业化和商业化。但是,与传统PSCs不同的是,整个器件厚度超过了13mm。数十微米的器件厚度对钙钛矿前驱体的填充提出了巨大挑战。钙钛矿前驱体的填充不完全阻碍了电荷的提取,并显著提高了载流子的复合,从而大大降低了器件的PCE和器件稳定性。针对以上问题,本文主要围绕提高全印刷介观钙钛矿太阳能电池(MPSCs)的PCE和器件稳定性做了大量研究,具体工作内容包括以下几点:(1)由于很难实现钙钛矿前驱体在微米级介孔结构中的自由扩散,制备高效的MPSCs仍然是一项重大挑战。我们提出了一种以三聚氰胺氢碘酸盐(MLAI)作为添加剂的方法来制备MPSCs。本章系统地研究了MLAI对钙钛矿膜的结晶、形貌和缺陷等对MPSCs性能的影响。结果表明,MLAI显著提高了钙钛矿的结晶度,有效地优化了钙钛矿的形貌,改善了孔隙的填充,钝化了钙钛矿薄膜的缺陷,从而降低了磁滞效应,提高了器件的PCE和器件稳定性。通过引入MLAI,最终制备得到MPSCs的最高PCE为13.86%,比未加入添加剂的器件效率高出18.5%。(2)钙钛矿前驱体的浸润性是决定MPSCs性能好坏的最关键因素之一。对于MPSCs而言,很难实现钙钛矿前驱体在微米级介孔结构中的自由扩散。基于此,我们引入了D-山梨醇六乙酸酯(DSHA)作为添加剂,用于制备基于甲基铵碘化铅(MAPbI3)的MPSCs,来提高钙钛矿前驱体在介孔中的浸润性,所制备得到的MPSCs的PCE为14.33%,并表现出很好的稳定性。我们系统地研究了DSHA对MPSCs中的光学性质、形貌和钙钛矿填充性能的影响。结果表明,DSHA能有效地优化钙钛矿薄膜形貌,改善孔隙填充,并钝化了钙钛矿膜的缺陷。值得注意的是,未封装的MPSCs在湿度为50±5%的空气中存放45天后,仍能保持其原始PCE的93%,而标准器件经过15天后只能保持初始PCE的80%。(3)甲胺(MA)和甲胺盐酸盐(MACl)已被广泛用于制备高效稳定的PSCs。然而,MA作为气体,难以处理,不可避免地导致其大量逸出,并且难以定量计算。在此,我们首次提出使用甲胺-乙醇溶液(MA-EtOH)和乙腈(ACN)的混合体系作为溶剂,通过引入20 mol%的MACl作为添加剂,可以在室温下通过简单的一步滴涂法制备MPSCs,而无需进行任何后处理。最终,基于MA-EtOH-ACN作为溶剂和20 mol%MACl作为添加剂的MPSCs的平均PCE为14.73±0.3%,且几乎没有磁滞现象。最重要的是,未封装时,该器件还具有出色的水和氧稳定性。具体而言,未封装的器件在湿度为50±5%的暗态环境中存放64天后仍保留其原始PCE的近100%,并在存放81天后任能保留初始效率的88%。它为将来在室温下构建MPSCs提供了新思路。(4)虽然,基于Cs0.1Rb0.05FA0.85Pb I3吸光层的MPSCs已经取得突破性进展,但是其后续研究少之甚少。通过引入羰基实现钙钛矿晶体内部缺陷的钝化和采用交联的方法提高器件稳定性是一项可行的策略。基于此,本文采用四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PETM)与季戊四醇四丙烯酸酯(PTTA)作为添加剂在钙钛矿晶界处进行点击化学交联,使器件的PCE和器件稳定性得到显著提高。研究发现,PETM和PTTA的引入提高了钙钛矿的结晶度,改善了钙钛矿薄膜的吸光度,提高了钙钛矿前驱体的浸润性。PETM和PTTA不仅可以作为交联剂提高器件稳定性,同时可以有效钝化钙钛矿缺陷,减少复合几率,使器件效率得到显著提高。
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